CN112947194A - 基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统 - Google Patents
基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的网球机器人控制系统，包括主控制芯片模块、电机控制模块、避障模块、数据采集模块、定位模块、通信模块、电池电量检测模块、供电管理模块；主控制芯片模块与电机控制模块、数据采集模块、通信模块、电池电量检测模块、供电管理模块相连接。供电管理模块为其供电，接受来自数据采集模块、电池电量检测模块的信息并进行处理，通过通信模块与其他控制设备系统进行双向通信，向电机控制模块发送控制信息。其中任务工作流程包括统初始化任务、运动控制任务、收球机构控制任务、避障急停任务、超声波数据处理任务、里程计数据处理任务、通信任务、电源管理任务、低电量提示任务。
Description
技术领域
本发明涉及网球机器人领域，尤其涉及一种基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统。
背景技术
在众多体育运动中，网球运动以其时尚、观赏性高的特点被大众普遍认可，越来越多的人喜欢上网球运动。网球运动中需要大量的发球训练来提高网球技巧，散落在地面上的网球的拾取却极大的影响了人们练习的热情。一个标准网球+场的大小是长36.6米，宽18.3米的矩形，而对于练习完疲惫不堪的运动员要拾取散落在地面上的网球无疑是繁重的体力劳动，雇佣球童费用较高，很难被大众接受。为了帮助网球训者拾取散落的网球，网球服务机器人应运而生，网球服务机器人能够帮助训练运动员拾取网球场地内的网球，需要人工的参与，因此需要稳健高效的控制系统，来实现运动控制、捡球机构控制、传感器数据采集、数据通信、紧急避障、供电管理等功能，同时网球机器人需要对其自身进行实时的监控，包括获取自身位置、电池电量等信息，现有技术中用于捡球的机器人不能自主的实现从接收任务、到实现捡球的全部过程。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统，具体方案包括：
用于检测机器人在运动过程中的实时位置信息和运行里程信息的定位模块；
基于超声波技术采集机器人前方设置区域内是否有障碍物或训练员目标以及障碍物与机器人之间的超声波距离信息的避障模块；
接收所述定位模块和避障模块传送的检测到的数据信息的数据采集模块，所述数据采集模块对接收到的信息进行数据处理；
接收所述数据采集模块传送的数据信息的主控制芯片模块，所述主控制芯片模块根据接收到的数据信息对机器人在场地的运动状态进行实时调控，基于机器人差速驱动方式和速度位置模式对机器人的任务工作流程进行优先级设定和运动控制；其中任务工作流程包括运动控制任务、收球机构控制任务、超声波数据处理任务、避障急停任务、里程计数据处理任务、通信任务、电源管理任务和低电量提示任务，所述主控制芯片模块按照优先级的高低对每项任务进行调控；
接收所述主控制芯片模块传送的运动位置控制指令信息和速度位置控制信息的电机控制模块，所述电机控制模块根据接收到的指令信息控制机器人的收球机构进行捡球操作和避障运动；
接收外部锂电池提供的电压值的供电管理模块，所述供电管理模块根据不同模块的电源驱动需求、调整输出功率信号为该系统的每个模块供电；
实时检测供电管理模块的电压水平、判断锂电池电量是否欠缺的电池电量检测模块，所述电池电量检测模块将电池剩余电量信息发送给主控制芯片模块，所述主控制芯片模块根据剩余电量值判断系统是否继续运行；
该系统还包括通信模块，所述主控制芯片模块通过通信模块与外部控制设备进行数据通信。
进一步的，所述主控制芯片模块对运动控制任务进行调控时：设置运动控制任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始等待接收指令、当接收到指令后进行决策，开始执行运动控制，如果在执行过过程中接收到了新的指令则重新执行运动控制，如果没有则将本次运动执行完毕，进入等待接收的状态。
进一步的，所述收球机构控制任务用于对机器人收球机构进行控制、包括启动和停止，所述主控制芯片模块对收球机构控制任务进行调控时：设置收球机构控制与检测任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接收指令并运行，在此过程中，如果接收到停止指令、则机器人收球机构停止运行，如果再次接收到启动指令，机器人收球机构重新开始运行，如果没有接受到停止指令机器人收球机构继续运行。
进一步的，所述主控制芯片模块对超声波数据处理任务进行调控时：接收避障模块检测到的障碍物距离机器人的超声波距离并进行分析，设置超声波数据处理任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接受前方障碍物距离数据并判断，如果该距离大于安全值，继续进行数据的接受，如果该距离小于安全值，则向避障急停任务发送紧急停止信号、同时取消当前运动指令，如果该距离大于安全值，则向避障急停任务发送取消紧急停止信号。
进一步的，所述主控制芯片模块对避障急停任务进行处理时：设置避障急停任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化、等待信号量的接受，当接受到接收到机器人前方有障碍物或训练员时发出急停信号，当接受到取消急停信号则恢复正常运行。
进一步的，所述主控制芯片模块对里程计数据处理任务进行处理时：设置里程计数据处理任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接受机器人相对场地内的原点的X、Y坐标以及相对角度信息并进行调整，对接受到的角度值进行取正，判断角度值是否为负值，如果小于零则将该值加上360°，如果大于零，即为所需要的角度。
进一步的，所述主控制芯片模块对低电量提示任务进行处理时：设置低电量提示任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始进行电量的检测、如果接收到当前电源电量低于设定阈值则发出报警提示。
进一步的，对任务工作流程中的多项任务进行优先级排序，所述主控制芯片模块同时接收到多个任务时则高优先级任务抢占低优先级任务、同等优先级任务则基于时间片轮转调度方式进行排序处理。
进一步的，对任务工作流程中的多项任务设置为运行态、就绪态、阻塞态、挂起态从而进行任务调度。由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统，本系统基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统，对其进行裁剪和配置，保证了系统的精简性，提高系统运行效率和减少硬件资源的开销；同时利用FreeRTOS系统的消息队列和信号量等机制，来传递信息和同步任务，保证了系统良好的稳定性和实时性；并且该系统采用多模块和多任务的划分保证了后续开发的可拓展性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为系统硬件模块架构示意图；
图2为系统中任务工作流程的任务划分示意图；
图3为硬件模块和系统任务关系示意图；
图4为多任务管理示意图；
图5为系统初始化任务工作流程示意图；
图6为运动控制任务工作流程示意图；
图7为收球机构控制任务工作流程示意图；
图8为避障急停任务工作流程示意图；
图9为超声波数据处理任务工作流程示意图；
图10为里程计数据处理任务工作流程示意图；
图11为通信任务工作流程示意图；
图12为电源管理任务工作流程示意图；
图13为低电量提示任务工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1-图3所示的一种基于FreeRTOS嵌入式的网球机器人实时操作控制系统，包括主控制芯片模块、电机控制模块、避障模块、数据采集模块、定位模块、通信模块、电池电量检测模块、供电管理模块；主控制芯片模块与电机控制模块、数据采集模块、通信模块、电池电量检测模块、供电管理模块相连接。供电管理模块为其供电，接受来自数据采集模块、电池电量检测模块的信息并进行处理，通过通信模块与其他控制设备系统(例如：工控机)进行双向通信，向电机控制模块发送控制信息。
其中任务工作流程包括统初始化任务、运动控制任务、收球机构控制任务、避障急停任务、超声波数据处理任务、里程计数据处理任务、通信任务、电源管理任务、低电量提示任务。
本系统工作过程中每个模块与任务的工作关系为：系统初始化任务基于主控制芯片，运动控制任务基于电机控制模块，收球机构控制任务基于电机控制模块；避障急停任务基于避障模块和数据采集模块；超声波数据处理任务基于避障模块和数据采集模块；里程计数据处理任务基于定位模块和数据采集模块；通信任务基于通信模块；电源管理任务基于供电管理模块；低电量提示任务基于电池电量检测模块和供电管理模块。
进一步的，主控制芯片模块采用的芯片为Cortex－M内核，ARM架构的STM32系列芯片，相关的芯片都属于本申请的权利范围。主控制芯片模块功能：用于运行FreeRTOS实时操作系统，利用FreeRTOS实时操作系统的队列、二值信号量、内存管理等机制；任务优先级，任务的运行态、就绪态、阻塞态、挂起态四种状态等任务属性；高优先级抢占低优先级、同等优先级基于时间片轮转的任务调度方式。来实现系统初始化任务、运动控制任务、收球机构控制任务、避障急停任务、超声波数据处理任务、里程计数据处理任务、通信任务、电源管理任务、低电量提示任务等多任务的创建、管理、优先级的分配。通过FreeRTOS嵌入式实时系统的使用，减少主控制芯片模块CPU的使用，提高整体的实时性、稳定性和执行效率。
进一步的，电机控制模块包括稳压芯片和电机驱动器；电机控制模块与主控制芯片模块和供电管理模块相连。供电管理模块为其供电，接受来自主控制芯片模块的速度位置控制信息。
进一步的，避障模块为一组四个超声波传感器均匀布置在机器人车体前侧的120度扇形区域；避障模块与数据采集模块和供电管理模块相连。供电管理模块为其供电，避障模块中的超声波传感器将采集到的距离信息通过数据采集模块发送给主控制芯片模块。
进一步的，数据采集模块包括模拟量数字量转换芯片和信号转换芯片；数据采集模块与主控制芯片模块、供电管理模块、避障模块、定位模块相连。供电管理模块为其供电，接受来自避障模块的距离信息和来自定位模块的位置信息，将距离和位置信息发送给主控制芯片模块。
进一步的，定位模块为里程计传感器；定位模块与数据采集模块和供电管理模块相连。供电管理模块为其供电，定位模块中的里程计传感器将采集到的位置信息通过数据采集模块发送给主控制芯片模块；
进一步的，通信模块为信号转换芯片；通信模块与主控制芯片模块和供电管理模块相连。供电管理模块为其供电，主控制芯片模块通过通信模块与其他控制设备系统(例如：工控机)进行双向通信。
进一步的，电池电量检测模块为模拟量转信号量芯片；电池电量检测模块与供电管理模块和主控制芯片模块相连。供电管理模块为其供电，电池电量检测模块实时检测供电输出管理模块的电压水平，判断锂电池电量是否欠电，并将电池剩余电量信息发送给主控制芯片模块。
进一步的，供电管理模块为场效应管开关电路。供电管理模块与主控制芯片模块、电机控制模块、避障模块、数据采集模块、定位模块、通信模块、电池电量检测模块相连。供电输出管理模块的输入电压为外部锂电池提供的电压，供电输出管理根据不同模块电源驱动需求，调整输出功率信号，为主控制芯片模块、电机控制模块、避障模块、数据采集模块、定位模块、通信模块进行供电。
进一步的，系统初始化任务：工作流程如图5：设置系统初始化任务的优先级，设置任务堆栈，进行任务初始化，给各模块上电，各模块参数配置，任务进行主动挂起。
进一步的，运动控制任务：工作流程如图6：设置运动控制任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始等待指令接受，接受到指令之后进行决策，然后开始执行运动控制。如果在执行过过程中接收到了新的指令，那么重新执行运动控制，如果没有新的指令的接受，那么将本次运动执行完毕，进入等到指令接受的状态。
进一步的，收球机构控制：工作流程如图7：设置收球机构控制与检测任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始等待指令接受，接受到指令之后机构开始运行，在此过程中，如果接受到停止指令，机构停止运行，如果再次接受到启动指令，机构重新开始运行；如果没有接受到停止指令，机构继续进行运行。
进一步的，避障急停任务：工作流程如图8：设置避障急停任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，等待信号量的接受。接受到急停信号量，进行紧急停止；接受到取消急停信号量信号，取消紧急停止，恢复正常运行。
进一步的，超声波数据处理任务：工作流程如图9：设置超声波数据处理任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始接受前方障碍物距离数据，判断如果距离大于安全值(设置为45厘米)，继续进行数据的接受。判断如果距离小于安全值，给避障急停任务发送紧急停止信号量触发急停操作；同时取消当前运动指令；继续进行数据的接受，如果距大于安全值，给避障急停任务发送取消紧急停止信号量。
进一步的，里程计数据处理任务：工作流程如图10：设置里程计数据处理任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始接受数据。对接收到的X，Y坐标值进行取整；对接受到的角度值进行取正，判断角度值是否为负值，如果小于零，将值加上360，如果大于零，即为所需要的。
进一步的，通信任务：工作流程如图11：设置通信任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始接受数据，接受到正确的首字节后，开始接受数据，接受完一定位数的数据之后，判断尾字节是否正确，如果正确，即整个数据正确；如果错误，重新开始接受数据。
进一步的，电源管理任务：工作流程如图12：设置电源管理任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，接收指令，进行供电；接收指令，停止供电。
进一步的，低电量提示任务：工作流程如图13：设置低电量提示任务的优先级，设置任务堆栈，进行初始化，开始进行电量的检测，如果低于百分之二十，进行报警；不低于百分之二十，继续进行电量的检测。
进一步的，多任务管理如图4：首先对任务进行优先级分配，具体如下：系统初始化任务优先级为4；电源管理任务优先级为3；避障急停任务优先级为3；运动控制任务优先级为2；收球机构控制任务优先级为2；超声波数据处理任务优先级为2；里程计数据处理任务优先级为2；通信任务优先级为2；低电量提示任务优先级为2。
进一步的，利用FreeRTOS实时操作系统的队列、二值信号量等机制进行传递信息和同步任务。超声波数据处理任务通过信号量给避障急停任务同步急停；通信任务通过队列给超声波数据处理任务和里程计数据处理任务发送数据；系统初始化任务、低电量提示任务通过信号量来同步电源管理任务的通电和断电。
进一步的，通过任务两种调度方式：高优先级抢占低优先级、同等优先级基于时间片轮转；任务的四种状态：运行态、就绪态、阻塞态、挂起态来调度任务。系统初始化任务运行完，会主动地对自身进行挂起；处于同等优先级的运动控制任务、收球机构控制任务、通信任务、低电量提示任务进行基于一定时间片的轮转；处于就绪状态的超声波数据处理任务、里程计数据处理任务等待事件(队列)的触发，会参与正在运行的任务进行时间片轮转；处于阻塞状态的避障急停任务、电源管理任务等待事件(信号量)的触发，因为自身任务优先级高于正在运行的任务，所以会进行抢占，争夺CPU的使用权。由于FreeRTOS是基于实时内核，由此保证了任务抢占的响应，保证了实时性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于FreeRTOS嵌入式实时操作系统的网球机器人控制系统，其特征在于包括：
用于检测机器人在运动过程中的实时位置信息和运行里程信息的定位模块；
基于超声波技术采集机器人前方设置区域内是否有障碍物或训练员目标以及障碍物与机器人之间的超声波距离信息的避障模块；
接收所述定位模块和避障模块传送的检测到的数据信息的数据采集模块，所述数据采集模块对接收到的信息进行数据处理；
接收所述数据采集模块传送的数据信息的主控制芯片模块，所述主控制芯片模块根据接收到的数据信息对机器人在场地的运动状态进行实时调控，基于机器人差速驱动方式和速度位置模式对机器人的任务工作流程进行优先级设定和运动控制；其中任务工作流程包括运动控制任务、收球机构控制任务、超声波数据处理任务、避障急停任务、里程计数据处理任务、通信任务、电源管理任务和低电量提示任务，所述主控制芯片模块按照优先级的高低对每项任务进行调控；
接收所述主控制芯片模块传送的运动位置控制指令信息和速度位置控制信息的电机控制模块，所述电机控制模块根据接收到的指令信息控制机器人的收球机构进行捡球操作和避障运动；
接收外部锂电池提供的电压值的供电管理模块，所述供电管理模块根据不同模块的电源驱动需求、调整输出功率信号为该系统的每个模块供电；
实时检测供电管理模块的电压水平、判断锂电池电量是否欠缺的电池电量检测模块，所述电池电量检测模块将电池剩余电量信息发送给主控制芯片模块，所述主控制芯片模块根据剩余电量值判断系统是否继续运行；
该系统还包括通信模块，所述主控制芯片模块通过通信模块与外部控制设备进行数据通信。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控制芯片模块对运动控制任务进行调控时：设置运动控制任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始等待接收指令、当接收到指令后进行决策，开始执行运动控制，如果在执行过过程中接收到了新的指令则重新执行运动控制，如果没有则将本次运动执行完毕，进入等待接收的状态。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述收球机构控制任务用于对机器人收球机构进行控制、包括启动和停止，所述主控制芯片模块对收球机构控制任务进行调控时：设置收球机构控制与检测任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接收指令并运行，在此过程中，如果接收到停止指令、则机器人收球机构停止运行，如果再次接收到启动指令，机器人收球机构重新开始运行，如果没有接受到停止指令机器人收球机构继续运行。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控制芯片模块对超声波数据处理任务进行调控时：接收避障模块检测到的障碍物距离机器人的超声波距离并进行分析，设置超声波数据处理任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接受前方障碍物距离数据并判断，如果该距离大于安全值，继续进行数据的接受，如果该距离小于安全值，则向避障急停任务发送紧急停止信号、同时取消当前运动指令，如果该距离大于安全值，则向避障急停任务发送取消紧急停止信号。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控制芯片模块对避障急停任务进行处理时：设置避障急停任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化、等待信号量的接受，当接受到接收到机器人前方有障碍物或训练员时发出急停信号，当接受到取消急停信号则恢复正常运行。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控制芯片模块对里程计数据处理任务进行处理时：设置里程计数据处理任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始接受机器人相对场地内的原点的X、Y坐标以及相对角度信息并进行调整，对接受到的角度值进行取正，判断角度值是否为负值，如果小于零则将该值加上360°，如果大于零，即为所需要的角度。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述主控制芯片模块对低电量提示任务进行处理时：设置低电量提示任务的优先级，设置任务堆栈并进行初始化，开始进行电量的检测、如果接收到当前电源电量低于设定阈值则发出报警提示。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：对任务工作流程中的多项任务进行优先级排序，所述主控制芯片模块同时接收到多个任务时则高优先级任务抢占低优先级任务、同等优先级任务则基于时间片轮转调度方式进行排序处理。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：对任务工作流程中的多项任务设置为运行态、就绪态、阻塞态、挂起态从而进行任务调度。
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